牙齒組織工程
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[論文摘要]牙齒組織工程學(xué)是指利用體外和體內(nèi)培養(yǎng)的手段從單細胞獲得整個牙齒的組織工程手段。其關(guān)鍵之處是獲得具有較強生長和分化能力的種子細胞、優(yōu)選較為適宜的支架材料，以及構(gòu)建有較強再生能力的細胞-支架復(fù)合體。
近年來，隨著發(fā)育生物學(xué)、分子生物學(xué)、細胞生物學(xué)、干細胞以及生物材料學(xué)等領(lǐng)域的新進展組織工程學(xué)也取得了長足的發(fā)展。所謂的牙齒組織工程學(xué)是運用生命科學(xué)和工程學(xué)的方法、原理和技術(shù)，在體外構(gòu)建有生物活性的組織，植入體內(nèi)，修復(fù)缺損組織，重建功能的一門新興學(xué)科。眾所周知，牙齒的發(fā)生發(fā)育經(jīng)歷有初始發(fā)生期、蕾狀期、帽狀期、鐘狀期、分化期、分泌期以及牙根的形成等階段，由上皮和間充質(zhì)的相互作用完成。即便使用單細胞進行培養(yǎng)，牙齒結(jié)構(gòu)的發(fā)生和發(fā)育也要經(jīng)歷這些必然階段。這為牙齒組織工程學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。然而組織工程學(xué)并不是一項簡單的工程，需要各個方面的工作相互協(xié)調(diào)，相互配合。
一、牙齒組織工程與干細胞
干細胞是一類具有自我更新能力的細胞，能夠產(chǎn)生至少一種類型的、高度分化的子代細胞。其可在體外分離、擴增和冷凍保存，在一定的條件下可被誘導(dǎo)分化為不同的細胞或組織。根據(jù)發(fā)生學(xué)來源的不同可將干細胞分為胚胎干細胞和成體干細胞。
隨著生物技術(shù)及組織工程學(xué)的發(fā)展，可通過干細胞定向分化技術(shù)，培育出特定的組織或器官。其原理是人為干預(yù)干細胞的分化方向，使這些細胞按照我們的需要分化成單一的組織或器官。組織工程牙齒的研究常以干細胞、信號分子及生物支架為基礎(chǔ)[1-2]，在體外通過組織重組技術(shù)及器官培養(yǎng)等方法研究牙齒的再生。Sharpe等[3]利用小鼠胚胎牙上皮和不同來源的間充質(zhì)干細胞（胚胎干細胞和神經(jīng)干細胞）及成人骨髓干細胞重組后再植入小鼠體內(nèi)可獲得牙齒結(jié)構(gòu)，Young等[4]也通過組織工程的方法制備了齒/骨雜交體，即用豬第三磨牙的牙蕾細胞種植到生物可降解的支架PGA或PLGA上，在成年大鼠的視網(wǎng)膜上生長4周后即得牙移植塊；同樣從豬的骨髓中分離誘導(dǎo)成骨細胞，并種植到PLGA支架上，在透氧的生物反應(yīng)器系統(tǒng)中培養(yǎng)10天后即得骨移植塊；將以上的牙移植塊和骨移植塊組合在一起重新植入大鼠的視網(wǎng)膜上生長8周后，經(jīng)過組織學(xué)和免疫組化的方法分析發(fā)現(xiàn)齒/骨雜交體不僅能產(chǎn)生牙本質(zhì)、修復(fù)牙本質(zhì)及釉質(zhì)組織，還能表達骨鈣蛋白、骨涎蛋白以及Ⅲ型膠原。Kramer等[5]將骨髓間充質(zhì)干細胞與牙周韌帶細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞骨鈣蛋白和骨橋蛋白的表達量明顯增加，而骨涎蛋白的表達量明顯降低，體現(xiàn)了共培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細胞能夠獲得牙周韌帶細胞的特性，可用于進行牙周組織的修復(fù)。這在一定程度上說明了，利用組織工程的方法在體外再生牙齒是可能的[6-7]。且在一定條件下不僅牙髓干細胞能夠再生牙齒結(jié)構(gòu)，其他來源的間充質(zhì)干細胞也能夠產(chǎn)生類似牙齒硬組織的結(jié)構(gòu)。
二、牙齒組織工程與生物支架
組織工程將培養(yǎng)細胞種植于外源性細胞外基質(zhì)（ECMs）以構(gòu)筑細胞/支架材料復(fù)合物。這種外源性ECMs就是由生物相容性良好和可降解的生物材料制備的三維多孔支架。組織工程支架的設(shè)計和選擇對于組織工程來說是非常關(guān)鍵的一步。組織工程支架材料的目的是為構(gòu)建組織的細胞提供一個三維支架，有利于細胞的粘附、增殖乃至分化，為細胞生長提供合適的外環(huán)境。理想的生物支架材料需要滿足如下要求：（1）具備良好的生物相容性，不會因鄰近組織的排異反應(yīng)而影響新組織的功能；（2）具有可降解性及適宜的降解速率，當(dāng)移植的細胞或組織在受體內(nèi)存活時，支架材料可自行降解；（3）具有符合細胞、組織器官要求的生物力學(xué)強度；（4）具有良好的細胞界面關(guān)系，能相互作用以保存和促進細胞功能；（5）便于加工成理想的二維或三維結(jié)構(gòu)，而且移植到體內(nèi)后能保持原有形狀。
Gronthos等[8]以HA/TCP為支架，將體外擴增的牙髓干細胞(DPSCs)植入裸鼠背側(cè)皮膚下，可獲得牙本質(zhì)/牙髓樣結(jié)構(gòu)。此外，在由組織工程支架材料PLGA或PGA/PLLA構(gòu)成的牙型支架中，植入打散豬胚磨牙牙胚或大鼠的磨牙牙胚，均能形成一個包含牙本質(zhì)、成牙本質(zhì)細胞、界限清晰的牙髓腔、Hertwig氏上皮根鞘(HERS)和成釉器的結(jié)構(gòu)[9-10]。07年，KazuhisaNakao等人將打散的小鼠胚胎14.5天的上皮和間充質(zhì)添加到用膠原做成的支架上，在體內(nèi)和體外均培養(yǎng)出了完整的并富含有血管和神經(jīng)纖維的牙齒結(jié)構(gòu)[11]。
傳統(tǒng)的牙齒組織工程是在體內(nèi)構(gòu)建細胞支架復(fù)合體。體內(nèi)構(gòu)建是將細胞——支架復(fù)合體植入體內(nèi)，修復(fù)組織缺損。這種方法的明顯優(yōu)點就是能夠利用體內(nèi)獨特的生長環(huán)境為牙齒的再生提供條件適宜并無菌的環(huán)境。但隨著組織工程的進一步發(fā)展，體內(nèi)重建已經(jīng)不能滿足實際工作的需要。必須能夠?qū)崿F(xiàn)在體外重建的模式。體外構(gòu)建是通過體外組織培養(yǎng)的方法將種子細胞接種到支架材料上，在體外進行組織構(gòu)建。體外重建具有一些較體內(nèi)構(gòu)建容易控制條件、利于實驗觀察等優(yōu)點，然而在傳統(tǒng)的靜態(tài)培養(yǎng)條件下體外重建卻很難達到真正的組織重建，但隨著生物反應(yīng)器和灌注培養(yǎng)系統(tǒng)的先后出現(xiàn)，體外構(gòu)建條件也有了明顯改善[12]。三、展望
隨著干細胞研究的飛速發(fā)展和生物材料的不斷改進，運用實驗胚胎學(xué)、發(fā)育和分子生物學(xué)的研究結(jié)果，科學(xué)家預(yù)測在不久的將來實現(xiàn)牙齒的再生是完全可能的。比較理想的方法是:體外培養(yǎng)種子細胞，形成牙胚后植入患者先天無牙頜區(qū)或缺失牙區(qū)，使長出具有良好形態(tài)并能行使其生物功能的組織工程化牙齒，從而取代傳統(tǒng)的人工種植牙。隨著Dentigenix和Odontis等牙齒組織工程公司的出現(xiàn)以及日立等大型企業(yè)的介入可能會大大加速有關(guān)的研究進程以及商業(yè)化產(chǎn)品的推出，但也可能同時會阻礙相關(guān)研究結(jié)果的透明度。但不管怎樣，組織工程化牙齒將走入臨床應(yīng)用，這將是現(xiàn)代組織工程學(xué)向口腔疾病治療的傳統(tǒng)觀念和方法發(fā)起的最具革命的性挑戰(zhàn)，必將在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起一場劃時代的變革。
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